CC BY
172
Гастёнина Л.В., Лапшин Э.В. НОВЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ И АНТИМОНИДА ИНДИЯ
Гонка за гигагерцами заставляет производителей процессоров устанавливать на один чип все больше и больше транзисторов. Соответственно, размеры последних становятся все меньше и меньше. Однако лет через двадцать уменьшаться им будет некуда. Дабы развитие электроники не прекращалось, придется изобретать чипы заново. Например, заменить чем-нибудь привычный кремний.
Чипы нового поколения
Компания Intel объявила о разработке технологии, позволяющей значительно повысить производительность компьютерных чипов. В пресс-релизе на сайте корпорации говорится, что речь идет о технологии нового поколения.
Повышение производительности достигается за счет уменьшения размера транзисторов и увеличения их числа на микросхеме. Инженерам Intel удалось создать прототип чипа на транзисторах с длиной затвора 35 нанометров, что почти в полтора раза меньше, чем у серийных транзисторов, которые используются при производстве процессоров Intel Pentium 4.
Кроме того, новая технология предусматривает использование так называемого напряженного кремния (кремния с увеличенным расстоянием между узлами кристаллической решетки), специальных медных соединений и нового диэлектрика. Все это позволяет увеличить рабочий ток транзисторов и снизить энергопотребление.
По словам разработчиков, с использованием новой технологии число транзисторов на стандартной микросхеме может быть увеличено вдвое. При этом разработчики обещают снижение стоимости производства и цены чипов.
Создан первый в мире транзистор на основе нитрида галлия
Китайский ученый Вэйсяо Хуан из политехнического института Rensselaer создал первый в мире транзистор на основе нитрида галлия (GaN). Главное достоинство его изобретения состоит в том, что при меньших, чем у кремниевых транзисторов, размерах GaN-транзистор отличается более высокой производительностью.
Кроме того, Хуан продемонстрировал, что его изобретение может эффективнее, чем обычные решения, объединять несколько важных электронных функций на одном чипе. Поэтому переход производителей электроники на GaN-транзисторы значительно упростит электронные схемы.
Если GaN-транзистор позволит уменьшить и физические размеры техники, то можно предположить, что одними из первых заинтересуются новой технологией производители мобильных устройств.
Также GaN-транзисторы вполне могут спасти мир от глобального потепления и энергетического кризиса. По словам Вэйсяо Хуана, транзисторы на основе нитрида галлия потребляют гораздо меньше энергии, нежели их кремниевые аналоги. Соответственно, применение GaN-транзисторов позволит снизить расход топлива и уменьшить количество выбросов в атмосферу.
Отличаются GaN-транзисторы и повышенной живучестью. Мало того, что им не страшны ни жара, ни холод, они себя комфортно чувствуют и в условиях повышенного радиационного фона. Все это позволит использовать GaN-транзисторы там, куда их кремниевым аналогам путь заказан.
О том, что нитрид галлия, а также другие элементы на основе галлия, обладают лучшей электропроводностью, нежели кремний, было известно давно. Однако лишь Вэйсяо Хуан сумел найти этим знаниям практическое применение.
Другие бескремниевые
Вэйсяо Хуан не единственный ученый, озадачившийся заменой кремния в транзисторах. Три года назад группа исследователей из компаний Intel и Qinetiq разработала транзисторы на основе двухкомпонентного полупроводника антимонида индия InSb. Опытные образцы потребляли в десять раз меньше энергии, чем кремниевые аналоги.
Эффект квантовой "потенциальной ямы" позволил в несколько раз снизить время и напряжение, необходимые для переключения содержащего InSb транзистора.
Благодаря этому "разогрев" новых процессоров будет небольшим. Опытные образцы потребляют в десять раз меньше энергии, чем кремниевые аналоги.
Однако у InSb-транзисторов есть один большой недостаток - сверхнизкая рабочая температура. Для
нормальной работы представленных в 2005 году антимонид-индиевых транзисторов требуется температу-
ра не выше точки кипения жидкого азота, а это минус 196 градусов Цельсия.
Серийный выпуск процессоров нового поколения Intel планирует начать в следующем десятилетии, а примерно через 15 лет "кремний" сойдет со сцены.
Еще одним потенциальным сменщиком кремния в транзисторах является графен. В отличие от индия и галлия, в природе он не встречается, и был получен искусственным путем в 2004 году.
Ученые из школы физики и астрономии при университете Манчестера в Великобритании (The University of Manchester) Константин Новоселов и Андре Гейм разработали самый маленький в мире транзистор: его толщина составляет 1 атом, а длина - 10 атомов. Разработка стала возможной благодаря
применению графена. По словам ученых, в будущем этот материал сможет заменить кремний в чипах, и произойти это может уже через 10 лет.
Графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, соединенных в кристаллическую решетку, напоминающую соты. Материал обладает высокой прочностью и, как полагают ученые, в будущем сможет применяться в самых разнообразных областях. В данном случае исследователи показали, что графен может служить своеобразной печатной платой для создания электрических цепей, состоящих из отдельных транзисторов размером не больше молекулы.
В качестве основы для транзисторов он работает на частотах в сотни раз более высоких, чем кремний. При этом размеры графеновых транзисторов в сотни раз меньше кремниевых.
В интервью BBC разработчик транзистора Константин Новоселов, возглавляющий исследование вместе со своим коллегой, профессором Андре Геймом (Andre Geim), рассказал, что по сравнению с кремнием графен имеет лучшую электропроводность и является идеальным материалом для производства чипов. Ученый полагает, что в графене скорость передвижения электронов по сравнению с другими материалами можно увеличить в 10 раз. Более того, по словам Новоселова, транзисторы, которые они изобрели, могут работать при комнатной температуре, то есть при такой же температуре, что и современная электроника.
В целом графен рассматривается как очень перспективный материал. Различные компании, производители микросхем, ставят к 2020 г. планы по достижению 10-нм топологического уровня на базе кремния. Но, по мнению экспертов, кремниевые транзисторы подобных размеров будут нестабильны. И именно здесь большие надежды возлагаются на графен, так как управлять электрическим током в нем проще.
Для потокового производства графеновых чипов требуются подложки несколько дюймов в диаметре. Однако самая большая графеновая подложка, созданная на сегодняшний день, имеет диаметр всего лишь 100 микрон, то есть 1/10 миллиметра. Исследователи уверены, что они смогут найти способ увеличения подложек, и когда это произойдет, кремний в чипах будет заменен графеном.
Сразу после открытия материала считалось, что графен нестабилен и легко разрушается при нагревании. Но позже, в ходе экспериментов, было установлено, что графен образует не идеально плоскую структуру, а слегка изгибается, что придает этой пленке необходимую жесткость и устойчивость. Возможно, через много лет что-то получится и из него.
Мембрана из графена также может служить микроскопическим фильтром, который будет разделять газовые смеси на составные части. В электронной микроскопии графен, толщина которого - 0,35 нанометров, может использоваться в качестве "предметного стекла" для исследуемых молекул, в частности - белковых.
Микросхема из одной нанотрубки
Компания IBM изготовила первую интегральную микросхему молекулярных размеров, сообщает CNET News. Основой "кольцевого генератора", стала углеродная нанотрубка, согнутая в кольцо. Статья об этом была опубликована в журнале Science.
"Кольцевой генератор" является простейшей микросхемой, с помощью которой принято тестировать новые технологии в электронике. Четыре года назад сотрудники IBM изготовили первый транзистор из
изолированной нанотрубки, однако утверждают, что новая задача намного сложнее.
Микросхема работает с частотой всего 52 мегагерца, но намного компактнее, чем устройства из
кремния. Инженеры отмечают, что возможности уменьшить кремниевые транзисторы, из которых состоит
"ядро" каждого современного процессора, практически исчерпаны, тогда как увеличить быстродействие микросхем на основе нанотрубок до гигагерцовых частот не слишком сложно.
По словам ученых, нанотрубка "выигрывает" у кремниевых аналогов за счет того, что в ней практически подавлен "плазмонный резонанс". При распространении тока в обычном полупроводнике "электронный газ" испытывает особые колебания (их квант называют плазмоном) под воздействием колеблющейся кристаллической решетки. Поскольку нанотрубка не имеет "настоящей" кристаллической структуры, этот эффект в ней проявляется намного слабее.
Физики предлагают несколько замен кремниевым транзисторам. Помимо нанотрубок, на эту роль претендуют наномагниты или более сложные кристаллические полупроводники.
В процессорах будущего вместо транзисторов будут использованы наномагниты
По словам некоторых ученых, в процессорах будущего традиционные транзисторы скорее всего будут заменены на наномагниты, способные передавать электрический заряд в процессе работы.
Сейчас мы можем наблюдать постепенный закат традиционных технологий на основе кремния, так как современные процессоры дошли до той степени миниатюрности и сложности, что этот материал уже перестает быть пригодным в качестве основы для будущих процессоров и микросхем. А вот концепция наномагнитов может сохранить Закон Мура в силе и позволит продолжать наращивать вычислительные мощности машин.
Наномагниты также имеют и другие преимущества. В частности, они позволяют изменять операционные параметры работы процессоров будущего уже после того, как они были собраны и запрограммированы, по крайней мере об этом говорит команда исследователей из Королевского лондонского колледжа под руководство Рассела Коуберна.
До сегодняшнего дня концепция наномагнитов была известна, однако, ее рассматривали лишь как технологию хранения информации, но не как ее обработки.
Коуберн с коллегами выяснил, что магнитные поля одного наномагнита могут передаваться другому, полностью изменяя его полярность, причем даже в том случае если последний был в состоянии покоя.
«Таким образом мы пришли к выводу, что информация может быть передана по цепочке наномагнитов, причем это происходит очень быстро», — говорит Коуберн.
Однако, по словам ученых, еще предстоит большая работа. Например, еще предстоит выяснить каким образом можно защитить магнитное поле от внешних источников воздействия и сохранить заряд.
Электронная память из пластика
Специалисты исследовательской лаборатории компании Hewlett-Packard совместно с учеными из Принстонского университета разработали прототип модуля электронной памяти, принципиально отличающийся от традиционных носителей. Его основа - пластиковая пленка и кремниевый диод на подложке из металлической фольги.
По словам разработчиков, гибридный модуль памяти на основе пластика будет значительно дешевле в производстве в сравнении с устройствами хранения информации, основанными на использовании кремниевых микросхем, оптических и магнитных носителей. Главной сферой применения своей разработки специалисты Hewlett-Packard считают цифровые фотоаппараты, плееры и другие портативные электронные устройства, в которых сегодня используются карты флэш-памяти, передает агентство Associated Press.
Технология создания модулей памяти на основе пластика не предусмаривает перезаписи данных. Отсутствие такой функции разработчики не считают недостатком, утверждая, что она не является необходимой при хранении музыкальных записей или фотоснимков.
Прототип нового модуля памяти имеет сравнительно небольшую емкость и скорость записи и считывания данных. В ближайшее время специалисты Hewlett-Packard рассчитывают улучшить его характеристики и обеспечить возможность хранения и чтения видеозаписей.
Компания Hewlett-Packard объявила также о создании первого модуля электронной памяти, построенного на основе молекулярной технологии. Выступая на симпозиуме, посвященном 175-летию шведского Королевского института, директор одного из исследовательских центров HP Стенли Уильямс сообщил, что им удалось создать функционирующий 64-битный чип.
Элемент "молекулярной памяти" представляет собой "сэндвич" - трехслойную структуру, состоящую из двух рядов проводников, между которыми находится слой "запоминающего" вещества. Проводники верхнего и нижнего слоев пересекаются под углом 90 градусов, образуя прямоугольную матрицу. При подаче напряжения на пару ортогональных проводников в месте их пересечения возникает разность потенциалов, меняющая свойства (в частности, сопротивление) вещества-разделителя. Так производится запись информации. Разные сопротивления соответствуют значениям "1" и "0". Используя более низкое напряжение, можно только считывать информацию, не внося изменений.
В первом молекулярном чипе HP задействовано два слоя из 8 платиновых проводников шириной 4 0 нанометров. Все устройство занимает площадь менее одного квадратного микрона. В дополнение к запоминающей матрице HP разработала столь же миниатюрный демультиплексор, позволяющий считывать информацию. "Это первая демонстрация наноцепи, объединяющей запоминающее устройство и логические элементы", - заявил Стенли Уильямс.
По оценкам специалистов HP, битовая плотность молекулярных устройств, созданных по новой технологии, примерно в десять раз превышает битовую плотность кремниевых микросхем. Еще одним преимуществом является быстрота изготовления: чип создается методом печати на кремниевой подложке за несколько минут. Фотолитографические методы изготовления кремниевых микросхем требуют нескольких недель.
Опытный образец памяти не имеет практического применения из-за малой емкости, однако в ближайшем будущем компания рассчитывает изготовить 16-килобитный чип, который может реально использоваться в электронике. В будущем создание полноценных молекулярных микросхем позволит многократно уменьшить размеры и энергопотребление компьютеров.
Постоянная необходимость дальнейшего увеличения мощности компьютеров и уменьшения их размеров столкнулась с серьезной проблемой. Прежняя технология, основанная на применении кремниевых кристаллов, уже изжила себя и достигла своего природного предела. Прогресс высоких технологий требует новых революционных решений.
Зачем?
Обычно, при чтении информации о разработках новых технологий производства транзисторов, возникают вопросы: "для чего все эти эксперименты?" и "чем плох кремний?". Если не сильно вдаваться в
подробности, то ответить на них можно так: человечеству нужны более мощные компьютеры.
Начиная с момента появления транзистора в 1947 году, эти "хитроумные приборы" постоянно уменьшаются в размерах, что позволяет устанавливать на один чип все больше и больше транзисторов. В соответствии с законом Мура, сформулированным в 1965 году, число транзисторов на чипе каждые два года удваивается, а стоимость чипа падает на 50 процентов.
Число транзисторов в современных процессорах исчисляется сотнями миллионов и достигает в отдельных случаях миллиардов. И чем больше этих самых транзисторов, тем выше производительность процессора.
Однако всему есть предел, и придет время, когда транзистор достигнет минимально возможных размеров. Исследователи подсчитали, что произойдет это через 15-20 лет. Поэтому, чтобы через два
десятилетия развитие техники не прекратилось, ученые вынуждены искать выход из грядущего тупика.
Кстати, помимо отказа от кремния в транзисторах, вполне допустим вариант, что будет создан новый "хитроумный прибор", после появления которого транзистор станет частью истории.
Литература
1. Костюков В.Е., Седаков А.Ю., Синегубко Л.А., Скупов В.Д. // Материаловедческие проблемы создания специальной полупроводниковой элементной базы и возможные пути их решения. Экономика и производство. 2006. № 10.
2. D. Eaglesham. MRS Bull. 30, 260 (2008).
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы. ara@icp.ac.ru, 2 0 0 8.
4. nanonewscom.ru.
5. Асеев А.Л. Наноматериалы и нанотехнологии для современной полупроводниковой электроники.
WWW.NANORF.RU, 2008.
